CN109882338B - 一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法 - Google Patents

一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法。上下外壳上下组装作为叶片的外壳，上下外壳之间形成空腔，空腔内沿叶片长度方向的两端固定装有内外侧挡隔板，内侧挡隔板位于距叶片叶根的1/6叶片长度处，外侧挡隔板位于叶片叶尖前，内外侧挡隔板之间固接C型梁，C型梁上下端贴合连接到空腔的上下外壳内表面，C型梁将空腔划分为三个子腔；将叶片的上下外壳沿长度方向划分为多个分段，每个分段用三种不同玻纤布按不同顺序方式叠合而成。本发明有利于叶尖、叶中及叶根各部位根据受力特性进行铺层结构设计，在满足叶片强度要求的同时避免用材浪费，保证成本最低化，且可应对海水腐蚀、泥沙侵蚀以及海洋生物附着等环境问题。

Description

一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及潮流能发电技术领域，具体来说是指一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法。
背景技术
目前，人们对于包括石油、煤炭、天然气的传统化石能源的过度依赖导致了能源匮乏与环境污染等严重问题。与此同时，传统化石能源的过度消耗也使得开采难度不断提升，从而导致开发的经济效益大幅下降，改变能源消费结构的任务已迫在眉睫。潮流能作为一种新兴的绿色可再生能源逐渐进入了人们的视野，它的优势在于储量丰富、可预测性较强等，目前潮流能发电装置主要的结构类型包括水平轴潮流能水轮机和垂直轴潮流能水轮机。
虽然潮流能水轮机在结构上与风机相似，其叶片的设计与制备可借鉴风机叶片，但由于两者在工作介质、密封防腐性能要求以及流向规律性等诸多方面存在不同，所以在叶片铺层结构与制备方法上应有所区别。然而，目前大多数潮流能水轮机的叶片设计都是完全参照或在风机叶片设计的基础上稍作修改来完成的，未全面考虑潮流能叶片的工作环境与受力特点，且在工艺方面仍采用手糊工艺，使得工作人员长期与对人体有害的胶粘剂接触，严重威胁生命健康安全。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种复合铺层式潮流能叶片及其制备方法，有利于叶尖、叶中及叶根各部位根据受力特性进行铺层结构设计，在满足叶片强度要求的同时避免用材浪费，保证成本最低化，且可应对海水腐蚀、泥沙侵蚀以及海洋生物附着等环境问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种复合铺层式潮流能叶片：
叶片包括上外壳、下外壳、C型梁、内侧挡隔板、外侧挡隔板；上外壳和下外壳上下组装作为叶片的外壳，上外壳和下外壳之间形成空腔，空腔内沿叶片长度方向的两端固定装有内侧挡隔板和外侧挡隔板，内侧挡隔板位于距叶片叶根的1/6叶片长度处，外侧挡隔板位于叶片叶尖前，内侧挡隔板和外侧挡隔板之间固接C型梁，C型梁开口朝向上，C型梁上下端贴合连接到空腔的上外壳和下外壳内表面，C型梁将空腔划分为三个子腔。
所述内外侧档隔板周围和空腔的上外壳和下外壳内表面贴合。
所述内外侧档隔板与C型梁两端贴合，并将C型梁与叶片的叶尖、叶根部分隔。
所述的上外壳和下外壳在前缘处和后缘处粘接接合，分别形成前缘粘合接头和后缘粘合接头。
所述叶片采用Kuchemann型叶尖，前缘曲率大而光顺，后缘的叶尖处形成一个角。
所述叶片的上外壳和下外壳按照受力特性沿长度方向划分铺层分段，且沿叶片长度方向从叶根向叶尖厚度逐渐变薄。
所述叶片主要由环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材制成。
二、一种复合铺层式潮流能叶片的制备方法：
1)在叶片成型模具中以环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材进行分段铺层，具体是将叶片的上外壳和下外壳沿长度方向划分为多个分段，每个分段用三种不同玻纤布按不同顺序方式叠合而成；
2)采用真空灌注工艺完成上外壳和下外壳的成型；
3)内外侧档隔板、C型梁与上外壳、下外壳2)采用环氧树脂胶粘剂进行组装，初始尺寸留出余量，组装时对内外侧档隔板和C型梁进行修剪以配合上下外壳；
4)采用环氧树脂胶粘剂于前缘粘合接头和后缘粘合接头处连接上下外壳并合模；
5)对叶片的前缘进行二次粘合铺层；
6)采用Intersleek 970含氟聚合物不沾污涂料对叶片整体外表面进行处理。
三种不同玻纤布为0度单向玻纤布、+/-45度双向玻纤布和0/90度双向玻纤布：0度单向玻纤布为玻纤沿平行于叶片长度方向布置的玻纤结构，+/-45度双向玻纤布为两组玻纤均沿和叶片长度方向呈45度角度布置且相互垂直布置的玻纤结构，0/90度双向玻纤布为一组玻纤沿平行于叶片长度方向布置、另一组玻纤沿垂直于叶片长度方向布置的玻纤结构。
本发明具有的有益效果是：
本发明所提供的复合铺层式潮流能叶片有利于叶尖、叶中及叶根各部位根据受力特性进行铺层结构设计，在满足叶片强度要求的同时避免用材浪费，保证成本最低化，且可应对海水腐蚀、泥沙侵蚀以及海洋生物附着等环境问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中A-A截面示意图。
图3是叶片铺层分段示意图。
图4是铺层用玻纤布示意图。
图中：1、上外壳，2、下外壳，3、C型梁，4、内侧挡隔板，5、外侧挡隔板，6、前缘粘合接头，7、后缘粘合接头，8、角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
参照图1和图2，具体实施包括上外壳1、下外壳2、C型梁3、内侧挡隔板4、外侧挡隔板5；上外壳1和下外壳2上下组装作为叶片的外壳，上外壳1和下外壳2之间形成空腔，空腔内沿叶片长度方向的两端固定装有内侧挡隔板4和外侧挡隔板5，内侧挡隔板4位于距叶片叶根的1/6叶片长度处，外侧挡隔板5位于叶片叶尖前，内侧挡隔板4和外侧挡隔板5之间固接C型梁3，C型梁3作为叶片主要承力部件连接上下外壳，C型梁3开口朝向上，即朝向上外壳1，C型梁3上下端贴合连接到空腔的上外壳1和下外壳2内表面，C型梁3将空腔划分为三个子腔。即使得C型梁3全长起始于距叶片叶根的1/6叶片长度处，终止于叶片叶尖前。本发明C型梁3作为主梁结构简单，易于制造加工。
内外侧档隔板4、5周围和空腔的上外壳1和下外壳2内表面贴合。
内外侧档隔板4、5与C型梁3两端贴合，并将C型梁3与叶片的叶尖、叶根部分隔。采用档隔板的目的一方面是为了固定C型梁，另一方面能有利于抵抗叶片摆振方向的力，提高叶片稳定性。
上外壳1和下外壳2在前缘处和后缘处粘接接合，分别形成前缘粘合接头6和后缘粘合接头7。
叶片采用Kuchemann型叶尖，前缘(迎风面所在一侧)曲率大而光顺，后缘的叶尖处形成一个角8，此种结构既可降低制造难度，也使得叶片更轻，并易于海上运输与安装作业。
叶片的上外壳1和下外壳2按照受力特性沿长度方向划分铺层分段，且沿叶片长度方向从叶根向叶尖厚度逐渐变薄，这种铺层方案可在满足叶片强度要求的同时节约用材，保证成本最低化。
叶片是一种复合材料包覆层，主要由环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材制成。
本发明叶片采用以下方法过程制造：
1)在叶片成型模具中以环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材进行分段铺层，具体是将叶片的上外壳1和下外壳2沿长度方向划分为多个分段，参照图3，每个分段用三种不同玻纤布按不同顺序方式叠合而成；
本发明由环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材，其中ECR玻璃增强纤维可保证结构强度与刚度高，且耐腐蚀性能优异，适用于海洋复杂环境。
这样分段是按照受力特性进行分段，能使得在满足叶片强度要求的同时节约用材，保证成本最低化，使得每段叶片的外壳均自适应强度要求。
2)采用真空灌注工艺完成上外壳1和下外壳2的成型，避免了传统手糊工艺对作业人员健康的潜在危害；
3)内外侧档隔板4、5、C型梁3与上外壳1、下外壳2采用环氧树脂胶粘剂进行组装，初始尺寸留出余量，组装时对内外侧档隔板4、5和C型梁3进行修剪以配合上下外壳；
4)采用环氧树脂胶粘剂于前缘粘合接头6和后缘粘合接头7处连接上下外壳并合模；
5)对叶片的前缘进行二次粘合铺层，这样能防止海水中大量泥沙造成的侵蚀；
6)采用Intersleek 970含氟聚合物不沾污涂料对叶片整体外表面进行处理，能使海洋生物附着程度最小化。
参照图4，三种不同玻纤布为0度单向玻纤布、+/-45度双向玻纤布和0/90度双向玻纤布：0度单向玻纤布为玻纤沿平行于叶片长度方向布置的玻纤结构，+/-45度双向玻纤布为两组玻纤均沿和叶片长度方向呈45度角度布置且相互垂直布置的玻纤结构，0/90度双向玻纤布为一组玻纤沿平行于叶片长度方向布置、另一组玻纤沿垂直于叶片长度方向布置的玻纤结构。
参照图3和图4，实施例中三种玻纤布的厚度采用2mm，将叶片的上外壳(1)和下外壳(2)沿长度方向划分为A、B、C、D、E、F、G七个分段，从叶尖开始的分段A采用0度单向玻纤布和+/-45度双向玻纤布两种不同玻纤布，分段按上下两端分别叠合3层+/-45度双向玻纤布、中间叠合7层0度单向玻纤布的顺序叠合而成，共计13层；分段B和C采用与分段A相同的铺层方法，但中间0度单向玻纤布铺层数不同，分别共计17和20层；分段D采用0度单向玻纤布、+/-45度双向玻纤布和0/90度双向玻纤布三种不同玻纤布，按上下两端分别叠合3层+/-45度双向玻纤布，中间以0度单向玻纤布、+/-45度双向玻纤布、0/90度双向玻纤布、0度单向玻纤布的顺序从下到上交替叠合而成，共计30层；分段E、F、G采用与分段D相同的铺层方法，但中间铺层数不同，分别共计42、50和62层。随着叶片尺寸的增长，沿长度方向的分段数也应增加，且分段数的增加有利于细化叶片铺层结构设计，使其与各部分受力特性相符，在保证叶片强度要求的同时避免用材浪费，保证成本最低化。

Claims (2)

1.一种复合铺层式潮流能叶片的制备方法，其特征在于：叶片结构是包括上外壳(1)、下外壳(2)、C型梁(3)、内侧挡隔板(4)、外侧挡隔板(5)；上外壳(1)和下外壳(2)上下组装作为叶片的外壳，上外壳(1)和下外壳(2)之间形成空腔，空腔内沿叶片长度方向的两端固定装有内侧挡隔板(4)和外侧挡隔板(5)，内侧挡隔板(4)位于距叶片叶根的1/6叶片长度处，外侧挡隔板(5)位于叶片叶尖前，内侧挡隔板(4)和外侧挡隔板(5)之间固接C型梁(3)，C型梁(3)开口朝向上，C型梁(3)上下端贴合连接到空腔的上外壳(1)和下外壳(2)内表面，C型梁(3)将空腔划分为三个子腔；
包括以下方法过程：
(1)在叶片成型模具中以环氧树脂和600gsm ECR玻璃增强纤维作为基材进行分段铺层，具体是将叶片的上外壳(1)和下外壳(2)沿长度方向划分为多个分段，每个分段用三种不同玻纤布按不同顺序方式叠合而成；
(2)采用真空灌注工艺完成上外壳(1)和下外壳(2)的成型；
(3)内外侧档隔板(4、5)、C型梁(3)与上外壳(1)、下外壳(2)采用环氧树脂胶粘剂进行组装，初始尺寸留出余量，组装时对内外侧档隔板(4、5)和C型梁(3)进行修剪以配合上下外壳；
(4)采用环氧树脂胶粘剂于前缘粘合接头(6)和后缘粘合接头(7)处连接上下外壳并合模；
(5)对叶片的前缘进行二次粘合铺层；
(6)采用Intersleek 970含氟聚合物不沾污涂料对叶片整体外表面进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种复合铺层式潮流能叶片的制备方法，其特征在于：三种不同玻纤布为0度单向玻纤布、+/-45度双向玻纤布和0/90度双向玻纤布：0度单向玻纤布为玻纤沿平行于叶片长度方向布置的玻纤结构，+/-45度双向玻纤布为两组玻纤均沿和叶片长度方向呈45度角度布置且相互垂直布置的玻纤结构，0/90度双向玻纤布为一组玻纤沿平行于叶片长度方向布置、另一组玻纤沿垂直于叶片长度方向布置的玻纤结构。
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